| | | [文章导读] | | | 目前，摩尔定律已经到了不惑之年，甚至比英特尔的年龄还要大6岁。 | |
| | [文章信息] | | | 作者: | 八戒 | | 时间: | 2005-05-22 | | 出处: | 天极网 | | 责编: | 寒冬 | |
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在硅晶圆图示中，用黄点标出的地方是表示这个地方存在一定缺陷，或是在硅晶圆被蚀刻入的晶体管起不了任何作用，这一切是由于制造技术限制而造成的，任何一个存在上面问题的芯片将因不能正常工作而被报废。上图中，一块硅晶圆中蚀刻了16个晶体管，但其中4个晶体管存在缺陷，因此我们就不得不把16个芯片中的4个报废掉(即占这块硅晶圆的1/4 )。如果这块硅晶圆代表我们生产过程中生产的所有硅晶圆，这意味着我们废品率就是1/4，这种情况将导致制造成本的上升。
在无法对现在的制造进程进行实质性改进的情况下，我们有两个方法来降低晶体管报废率从而增加当前75%的良品率。其一就是改进我们的生产制程、优化加工过程，降低每块硅晶圆上的晶圆坏点密度。不过在我们讨论如何减少坏点密度之前，我认为应该花一点时间来让大家了解一下半导体的2个基本生产参数—硅晶圆尺寸和蚀刻尺寸。
当一个半导体制造者建造一个新芯片生产工厂时，你将通常看到它上在使用相关资料上使用这2个数字：硅晶圆尺寸和特性尺寸。硅晶圆尺寸是在半导体生产过程中硅晶圆使用的直径值。总的来说，一套特定的硅晶圆生产设备所能生产的硅晶圆尺寸是固定，因为对原设备进行改造来生产新尺寸的硅晶圆而花费资金是相当惊人的，这些费用几乎可以建造一个新的生产工厂。这样我们就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。
你可能这样想像，硅晶圆尺寸越大越好，这样每块晶圆能生产更多的芯片。然而，硅晶圆有一个特性来限制制造商随意增加硅晶圆的尺寸，那就是在晶圆生产过程中，离晶圆中心越远就越容易出现坏点。因此从硅晶圆中心向外扩展，坏点数是呈上升趋势。半导体生产商们也总是致力于在尽量大的晶圆上控制坏点的数量，比如8086 CPU制造时最初所使用的晶圆尺寸是50mm，而现在英特尔已经开始使用300mm尺寸硅晶圆生产工厂生产新一代处理器。
至于蚀刻尺寸是制造设备在一个硅晶圆上所能蚀刻的一个最小尺寸。因此当你听见P4采用0.13微米制程时，这意味意指Pentium 4的晶体管尺寸最小可以做成0.13微米那么大，就是说这个加工厂在晶圆上所能蚀刻的最小晶体管尺寸是0.13微米。你将通常看见“蚀刻尺寸”和“晶体管尺寸”这两个术语是可以交换使用的，因为在一志集成电路上的最重要的特性就是晶体管。
8086有3u蚀刻尺寸，Pentium的蚀刻尺寸是0.8u，并且Pentium 4的蚀刻尺寸当前是0.13u，而目前英特尔的正在建造的硅晶圆厂能蚀刻0.09u的蚀刻尺寸。象硅晶圆尺寸一样，蚀刻尺寸也是被固定的，所有的硅晶圆制造厂都是按某几个特定的蚀刻尺寸来生产芯片。虽然在这篇文章中我们将进行关于蚀刻尺寸更多的谈论，但我们现在要指出的是—它是一个被固定的参数，也是不经常变化。下面我们将通过一个简单的例子，对硅晶圆尺寸和蚀刻尺寸进行更详细的说明。
从我们上面的叙述中大家可以看到，一旦制造厂建成，那么它使用的晶元尺寸和线路尺寸就相对固定了，因此在这种情况下增加制造厂产能，减小成本的方法就被限制在下面两个方案中间：
·减小晶元的坏点密度
·减小单个芯片的尺寸
现在，让我们回到1975年，看看Intel Fab1工厂的情况当时生产一个简单的CPU的过程。假设我们在这里要制造的处理器，它有4个基本的部件：一个控制单元，I/O单元，寄存器和一个算术逻辑单元(ALU)。为了能让这个CPU能更好地运行，我们假设在这个处理器里的电路上集成了10，000只晶体管。同样我们硅晶元工厂(在这里我们称Fab I)有能力在上面所述的16块硅晶元的每块芯片中容纳12000只晶体管。这想我们能想象得到一个处理器内部设计的复杂性。(小提示：在处理器设计上，“晶体管数”和“复杂性”实际上是同义词。许多晶体管的电路设计是复杂的，而少部份电路设计是简单的)
如果我们象生产单芯片那样生产所有处理器的话，因为坏点的存在我们不得不将仍掉其中的1/4。这意味着浪费很多的硅晶元，虽然我们知道我们能做得更好一些。(实际上，在现实世界中，达到75%的良品率已经是非常不易的事情。因为是例子的缘故，所以在这里姑且这样假设)另外的选择是分解处理器，它是一个大的复杂的电路，我们将它分解为4个CPU单元(2500晶体管/每芯片)联接在印刷电路板上(PCB)。
但由于废品率的因素，我们只好考虑把原设计的单芯片CPU分解为4个CPU单元，每个单元集成度为2500个微晶体管，然后再在CPU基板上把多个芯片单元连接成为一个CPU的方案替代原来的单芯片方案来制造我们的CPU，如下图：
为什么我们将使用4个更小的芯片生产处理器而不使用一个大的芯片呢？看下图，在这里也象上面的硅晶元图示一样显示出坏点的位置和数量。然而现在，一个晶元上能生产的芯片数就比原来提高4倍 (或总共64块芯片)，其中每一块芯片包含1/4晶体管数(或总共3，000只晶体管)，而我们原来只能生产16块硅晶元芯片。
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